La revolución de la Física: la mecánica cuántica

Entre finales del siglo XIX y principios del XX tuvo su origen la teoría física vigente, indiscutible hasta ahora en el mundo de lo muy pequeño, como es la mecánica cuántica. En aquel entonces se creía que la física clásica era lo que gobernaba todo, sólo había unos hechos o experimentos que no se lograban explicar: el experimento de Michelson y Morley, que dio origen a la teoría especial de la relatividad, el espectro emisivo del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico. Planck por un lado, y Einstein por otro, explicaron estos dos últimos experimentos, respectivamente. Lo hicieron mediante el supuesto de que la energía u ondas electromagnéticas se transmitían en forma de paquetes o cuantos de energía (que después se llamarían fotones): nacía la mecánica cuántica.

La mecánica cuántica, a diferencia de la mecánica clásica o la teoría de la relatividad, es una mecánica no clásica ¿Esto que quiere decir? La mecánica clásica se basa en dos pilares: i) principio de separabilidad, es decir, dos objetos se influencian entre ellos sólo por fuerzas y éstas, según la teoria de la relatividad (la más general de las mecánicas clásicas), no pueden ir más rápido que la luz; ii) principio de realidad, que presupone que existe una realidad objetiva para ser observada, independiente del observador. Esto no se da en la teoría cuántica. Como se puede suponer, esto atenta al sentido común y tiene muchas implicaciones.

Por ejemplo, un experimento en el que se pone de manifiesto la violación del principio de realidad es la difracción de electrones, en la que se puede observar la naturaleza doble onda-corpúsculo de las partículas subatómicas. En los experimentos de difracción con luz, o de la doble rendija, surge la naturaleza ondulatoria de la misma: se hace pasar un haz luz por dos agujeros, y tras atravesar los mismos, en la luz proyectada sobre una placa se observa un patrón de interferencia, es decir, zonas iluminadas y zonas oscuras, como en franjas. Si se realiza este mismo experimento con haces de electrones (los dos agujeros tienen que estar mucho más próximos) se observa el mismo patrón de interferencia. La gran paradoja está en que esto mismo se observa incluso si se lanzan los electrones uno por uno, lo que implica que el electrón se interfiere consigo mismo, es decir, ¡pasa por los dos agujeros a la vez!. Pero no sólo eso, cuando se intenta verificar por cuál agujero pasa el electrón, el patrón de interferencia desaparece, de manera que los electrones ya no se comportan como ondas, si no como partículas. Esto quiere decir que experimento y observador están ligados como un todo. ¡¡¡ Gran conclusión !!! Esto implicaría que todos los objetos del Universo están ligados de alguna manera.

A pesar de que Einstein, casi sin quererlo, fue uno de los fundadores de la teoría cuántica (recibió un premio Nobel de Física por su explicación del efecto fotoeléctrico), en la parte final de su vida de dedicó a diseñar experimentos para poner en duda la mecánica cuántica. Se negaba a admitir esas "acciones fantasmales" , (como llegaba a decir él) que lo ligaban todo a velocidades superiores a la de la luz (prácticamente instantáneas), ya que creía en el principio de separabilidad. Célebre es su experimento (mental) en un artículo presentado junto con Podolsky y Rosen, el cual finalmente fue rebatido por las evidencias experimentales que basadas en las pruebas ideadas por el físico irlandés Bell.

Existen multitud de efectos en los que se manifiestan los efectos cuánticos: efecto túnel, efecto Casimir (que demuestra la existencia de una energía en el espacio vacío), etc. sólo observables a escala muy pequeña. La aplicación a nivel de ingeniería de todo esto ha sido muy importante: el láser, el transistor, microscopio electrónico, etc. Pero lo más interesante está por venir: ordenadores cuánticos (teóricamente capaces hacer un montón de operaciones en paralelo, a esto ya le dedicaremos otro post), nano-componentes para medicina, ingeniería térmica, y un largo etc.

Más datos en:

http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Michelson_y_Morley
http://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro
http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico
Rosenblum, B. y Kuttner, F. El enigma cuántico.
http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Young
http://www.madrimasd.org/blogs/astrofisica/2006/06/14/29920
http://www.neoteo.com/la-paradoja-de-einstein-podolsky-rosen
http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_t%C3%BAnel
http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Casimir
http://venturebeat.com/2011/05/27/first-quantum-computer-sold/
http://es.wikipedia.org/wiki/Nanotecnolog%C3%ADa

Un saludo