Mecánica cuántica para niños
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La mecánica cuántica es una parte de la física que estudia cómo se comportan las cosas muy, muy pequeñas. Imagina que es como una lupa gigante para ver el mundo de los átomos y las partículas aún más pequeñas. Esta rama de la física nos ayuda a entender cómo interactúan estas partículas con la luz y otras fuerzas.
Una idea clave de la mecánica cuántica es que la energía no se libera de forma continua, como si fuera un chorro de agua. En cambio, se libera en pequeños "paquetes" o "trozos" llamados cuantos. Piensa en ellos como escalones: solo puedes estar en un escalón o en otro, no en medio. Las partículas que tienen esta propiedad pueden ser de dos tipos: fermiones o bosones.
A diferencia de la física clásica (que describe cómo se mueven los objetos grandes), la mecánica cuántica a menudo solo puede predecir las características de las partículas elementales usando probabilidades. Es como decir que hay una alta probabilidad de encontrar una partícula en un lugar, pero no podemos saber su ubicación exacta. La ecuación de Schrödinger es una herramienta muy importante en la mecánica cuántica, similar a las leyes de Newton en la física clásica, que nos ayuda a predecir el futuro de estos sistemas.
En la física clásica, se pensaba que la energía era continua y que la materia ocupaba un lugar exacto en el espacio. Pero la teoría cuántica descubrió que la energía se emite y absorbe en cantidades muy pequeñas y separadas. Un solo paquete de energía, el cuanto, a veces actúa como una partícula. Y lo más sorprendente es que las partículas también pueden mostrar propiedades de ondas cuando se mueven. Esto significa que no están en un solo punto, sino que se "extienden" un poco.
Cuando un átomo emite o absorbe luz, solo lo hace en ciertas frecuencias (o longitudes de onda). Esto se ve en el espectro de luz de cada elemento químico. La mecánica cuántica explica que estas frecuencias corresponden a niveles específicos de energía de los cuantos de luz, llamados fotones. Esto ocurre porque los electrónes dentro de un átomo solo pueden tener ciertos valores de energía permitidos. Cuando un electrón cambia de un nivel de energía a otro, se libera o absorbe una cantidad de energía.
Contenido
¿Cómo surgió la mecánica cuántica?
La mecánica cuántica comenzó a desarrollarse a principios del siglo XX, porque las teorías físicas de ese momento no podían explicar algunos fenómenos. Por ejemplo, no podían entender por qué los objetos calientes emitían luz de cierta manera (la "catástrofe ultravioleta") o por qué los átomos eran estables y no se desmoronaban.
La primera idea importante que dio origen a la mecánica cuántica fue propuesta por Max Planck en 1900. Él sugirió que la energía se emitía en "paquetes" o "cuantos" para resolver el problema de la radiación de los objetos calientes. Al principio, su idea fue cuestionada, pero Albert Einstein la usó con éxito en 1905 para explicar el efecto fotoeléctrico, un fenómeno donde la luz arranca electrones de un material. Por esta explicación, Einstein ganó el Premio Nobel de Física en 1921.
Las primeras formulaciones matemáticas completas de la mecánica cuántica aparecieron a mediados de la década de 1920. En 1924, Louis de Broglie propuso que, así como la luz puede comportarse como partículas, las partículas también pueden comportarse como ondas. Después de esta idea, surgieron dos formas de la mecánica cuántica:
- En 1926, Erwin Schrödinger desarrolló la mecánica ondulatoria, que usa una "función de onda" para calcular la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar.
- En 1925, Werner Heisenberg creó la mecánica matricial, que no usaba funciones de onda, pero que resultó ser matemáticamente igual a la teoría de Schrödinger.
Un descubrimiento muy importante de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre, que Heisenberg anunció en 1927. Este principio dice que no podemos conocer con total precisión al mismo tiempo la posición y la velocidad de una partícula. Esto cambió la forma en que los científicos veían el mundo, ya que antes se pensaba que todo podía medirse con exactitud.
¿Para qué sirve la mecánica cuántica?
La mecánica cuántica es la base de muchas tecnologías modernas que usamos hoy en día. Algunas de sus aplicaciones más importantes incluyen:
- La química cuántica, que nos ayuda a entender cómo se unen los átomos para formar moléculas.
- La computación cuántica, que busca crear computadoras mucho más potentes.
- Los imanes superconductores y los diodos emisores de luz (LEDs).
- Los láseres y los transistores, que son la base de los microprocesadores en nuestros teléfonos y computadoras.
- Las imágenes médicas como la resonancia magnética.
- Los microscopio electrónicos.
También nos ayuda a entender fenómenos biológicos, como la estructura del ADN.
Mecánica cuántica y relatividad
La física moderna se basa en dos grandes teorías: la teoría de la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica. Aunque ambas son muy exitosas y están respaldadas por muchas pruebas, sus principios parecen diferentes. La teoría de la relatividad describe el universo a gran escala (como los planetas y las galaxias), mientras que la mecánica cuántica describe el universo a escalas muy pequeñas (átomos y partículas).
Los científicos han logrado combinar la mecánica cuántica con la relatividad para entender las fuerzas nucleares y el electromagnetismo, creando lo que se llama teoría cuántica de campos. Sin embargo, todavía no han logrado combinar la mecánica cuántica con la gravedad de una manera completa. Este es uno de los mayores desafíos para los físicos del siglo XXI.
Albert Einstein mismo tuvo algunas dudas sobre la mecánica cuántica, especialmente sobre el concepto de "entrelazamiento cuántico". Este fenómeno significa que dos partículas pueden estar conectadas de tal manera que, si se mide una, la otra cambia instantáneamente, sin importar la distancia entre ellas. Einstein lo llamó "acción fantasmal a distancia". Aunque parecía extraño, experimentos posteriores han demostrado que el entrelazamiento cuántico es real.
Conceptos importantes
Algunas de las ideas más importantes de la mecánica cuántica son:
- No hay trayectorias exactas: No podemos saber la posición y la velocidad de una partícula al mismo tiempo. En lugar de una trayectoria definida, usamos una "función de onda" que nos da la probabilidad de encontrar la partícula en un lugar.
- Cambios de estado: Si no se mide un sistema, su estado cambia de forma suave. Pero si se realiza una medición, el sistema "salta" a un nuevo estado que es compatible con lo que se midió.
- Energía en paquetes: La energía en los sistemas pequeños no se intercambia de forma continua, sino en paquetes mínimos llamados cuantos.
El Principio de Incertidumbre
Una de las ideas más famosas de la mecánica cuántica es el principio de incertidumbre de Heisenberg. Este principio dice que no podemos conocer con total precisión la posición y la velocidad de una partícula al mismo tiempo. Si medimos la posición con mucha exactitud, perdemos precisión sobre su velocidad, y viceversa. Esto no es un problema de nuestros instrumentos de medición, sino una característica fundamental de la naturaleza a esa escala.
Galería de imágenes
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Fig. 1: La función de onda del electrón de un átomo de hidrógeno posee niveles de energía definidos y discretos denotados por un número cuántico n=1, 2, 3,... y valores definidos de momento angular caracterizados por la notación: s, p, d,... Las áreas brillantes en la figura corresponden a densidades elevadas de probabilidad de encontrar el electrón en dicha posición.
Véase también
En inglés: Quantum mechanics Facts for Kids
- Computación cuántica
- Cuanto
- Ecuación de Schrödinger
- Efecto túnel
- Entrelazamiento cuántico
- Fotón
- Principio de incertidumbre
- Química cuántica
- Teoría de la relatividad
- Personalidades
