¿Qué es y para qué sirve la física cuántica?

Física cuántica

La física cuántica es uno de los mayores logros alcanzado por la humanidad. Además, nos sirve de base para llegar a comprender los fenómenos naturales. Esta rama de la física comprende todo lo relacionado con el átomo, el enlace químico, la materia, las moléculas. También, la interacción de la luz con las partículas, entre otros. Detalla el mundo a escala atómica, pero a través de ella se puede determinar efectos a escala macroscópica en las propiedades térmicas, ópticas, eléctricas y magnéticas. Al mismo tiempo, su aplicación en el campo tecnológico es fundamental en la actualidad.

En este artículo, se indagará este campo asombroso del conocimiento, que todavía escapa de la percepción humana, pero funciona con una lógica matemática. A continuación, te explicaremos qué es y para qué sirve esta rama.

¿Qué es la física cuántica?

Es la rama de la ciencia que comprende las características, comportamientos e interacciones de partículas atómicas y subatómicas. Esta ciencia tiene su origen en la teoría cuántica postulada por Planck en el año 1900, donde se describe la radiación del cuerpo negro u oscuro.

Física cuántica
Imagen de Pixabay

Esta teoría fue reforzada por el físico Albert Einstein en el año 1905, cuando describió en detalle el efecto fotoeléctrico, teoría por la cual ganó un premio Nobel. Tiempo después, en el año 1920, se estableció que la ciencia encargada de estudiar estas partículas pasaría a llamarse mecánica cuántica.

Diferencia entre física cuántica y mecánica cuántica

Los términos física cuántica, mecánica cuántica y teoría cuántica son usados frecuentemente como sinónimos. De manera general, tienen el mismo significado pero se diferencian en sus términos teóricos.

La mecánica es una rama de la física. La teoría cuántica fue establecida en el año 1912 por el campo de la física, pero en el año 1922 fue declarada como un campo diferente denominado mecánica cuántica, que define los movimientos e interacciones de los cuanta. 

Propiedades

Las propiedades difieren mucho de las de la física clásica. La energía en sistemas combinados no se intercambia de forma continua sino en forma discreta. De tal forma que lo que involucra la existencia de paquetes mínimos de energía, denominados cuantos.

Las partículas subatómicas tienen propiedades muy diferentes a las que experimentamos a escala humana. Sus propiedades son las siguientes:

Dualidad onda – corpúsculo

Las partículas tienen la capacidad de comportarse como ondas, semejantes a las ondas del agua. Al mismo tiempo, como corpúsculos, similares a objetos sólidos.

Principio de incertidumbre de Heisenberg

Este principio establece que: “No podemos conocer con precisión arbitraria determinas cantidades observables de las partículas”. Como por ejemplo: la variación en posición y velocidad o la variación la energía y el tiempo. Si se conoce la posición de una partícula, entonces no sabemos su velocidad.

Mecánica probabilística

Dadas unas condiciones iniciales, coexisten muchos estados posibles con una cierta probabilidad. Al medir, esa probabilidad desaparece y solo ocurre una de esas posibilidades. 

Efecto túnel

Las partículas tienen una probabilidad significativa de atravesar barreras de potencial (paredes). En esta propiedad y en el entrelazamiento se basan las computadoras cuánticas.

Modelo estándar

Es un modelo de unificación de partículas y de las fuerzas que actúan a nivel cuántico: fuerte, débil y electromagnética. Dicho modelo, consiste en ordenar la materia y la energía en grupos dependiendo de sus propiedades.

La materia se clasifica en los que sienten la fuerza fuerte: hadrones, y los que no la sienten: leptones. Todas las partículas interaccionan débilmente y si poseen carga eléctrica, también interaccionan electromagnéticamente. Las fuerzas tienen una partícula asociada. La electromagnética: el fotón, la fuerte: el gluón, la débil: partículas W y Z.

Fuerzas que actúan a nivel cuántico

Fuerza nuclear fuerte

Esta fuerza permite que existan los núcleos de los átomos. Además, permite que pueda existir la materia tal como se conoce. En el núcleo hay protones (partículas cargadas eléctricamente positivas) y neutrones (neutras). Por repulsión electroestática deberían repelerse. La fuerza fuerte es atractiva y las mantiene unidas.

En el ámbito de las partículas elementales, este tipo de fuerza actúa sobre una clase de partículas conocidas como hadrones, confinando los quarks en su interior. A este nivel, se le llama fuerza de color y actúa de forma análoga a un muelle.

Fuerza nuclear débil

La fuerza débil es de muy corto alcance y al nivel de partículas elementales, transforma unas partículas en otras. La radioactividad tiene en parte su origen en esta interacción. Asimismo, la interacción débil causa un tipo de desintegración radiactiva o división del núcleo de un átomo, conocida como desintegración beta. Los átomos radiactivos son inestables porque sus núcleos tienen demasiados neutrones. En la desintegración beta, el neutrón libera un electrón y se convierte en un protón. Las partículas W y Z transportan la interacción débil.  

Electromagnetismo

Es la unión de la fuerza eléctrica y la magnética. Actúa, junto con la gravedad, a escala humana. De igual forma, la fuerza eléctrica aparece cuando hay partículas cargadas eléctricamente. Las partículas con la misma carga se repelen y con carga opuesta se atraen.

Por su parte, el magnetismo aparece debido al movimiento de dichas partículas cargadas (imanes).

¿Para qué sirve la física cuántica?

Muchas de las teorías son aplicadas en la actualidad en diversas áreas, desde las telecomunicaciones hasta la medicina.

Algunos de los usos más frecuentes de esta rama de la física son los siguientes:

  • Para leer información almacenada en el disco duro de una PC o de un DVD.
  • Para el desarrollo de los chips usados en los teléfonos móviles.
  • En los transistores.
  • En la exploración del universo.
  • Tecnologías que utilizan láser.
  • Imágenes por resonancia magnética utilizadas en el área de salud, entre otros.

En la actualidad se tiene un amplio conocimiento de los temas relacionados con la física cuántica. Sin embargo, todavía existen muchos enigmas por descifrar, esto se debe a que estamos ante una rama relativamente joven, formulada a principios del siglo XX. Además, desarrollada a partir de 1920 por físicos y matemáticos de gran renombre tales como:, Heisenberg, Dirac, Einstein, Von Neumann, Schrödinger, Bohr y Richard Feynman.

Sin duda alguna, la física cuántica explica claramente el mundo que nos rodea: la luz, la electricidad, el calor y la materia están compuestos de partículas cuánticas, que tienen un comportamiento prodigioso.

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