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Física Cuántica

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En escasas palabras, es la física la que explica cómo funciona todo: la mejor especificación que poseemos de la naturaleza de las partículas que conforman la materia y las fuerzas con las que interactúan.

La física cuántica subyace en cómo funcionan los átomos, y por qué la química y la biología funcionan como lo realizan. Tú, yo y los demás- por lo menos en cualquier grado, todos estamos bailando a “la música cuántica”. Si deseas describir cómo los electrones se mueven por medio de un chip de computadora, cómo los fotones de luz se transforman en corriente eléctrica en un panel solar o se amplifican en un láser, o inclusive cómo el sol sigue ardiendo, necesitarás utilizar la física cuántica.

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La complejidad – y, para los físicos, la diversión – empieza aquí. Para comenzar, no existe una sola teoría cuántica. Hay mecánica cuántica, el marco matemático esencial que lo sustenta todo, que se creó por primera ocasión en la década de 1920 por Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y otros. Caracteriza cosas básicas como cómo la posición o el instante de una sola partícula o conjunto de escasas partículas cambia con la época. Empero para comprender cómo funcionan las cosas en el planeta real, la mecánica cuántica debería combinarse con otros recursos de la física – primordialmente, la teoría particular de la relatividad de Albert Einstein, que explica lo cual sucede una vez que las cosas se mueven bastante veloz – para generar lo cual se sabe cómo teorías de campos cuánticos.

3 teorías de campos cuánticos diferentes intentan 3 de las 4 fuerzas primordiales por las que la materia interactúa: el electromagnetismo, que explica cómo los átomos se mantienen unidos; la fuerza nuclear intenso, que explica la igualdad del núcleo en el corazón del átomo; y la débil fuerza nuclear, lo cual explica por qué ciertos átomos padecen desintegración radiactiva.

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Véase también Bosón de Higgs o la partícula de Dios

A lo largo de las últimas 5 décadas más o menos estas 3 teorías se han reunido en una coalición destartalada exitosa como el “modelo estándar” de la física de partículas. Para toda la impresión de que este modelo se conserva sutilmente junto con la cinta adhesiva, es la imagen más rigurosa probada de trabajo insustituible de la materia que se ha ideado. Su máxima gloria llegó en 2012 con el descubrimiento del bosón de Higgs, la partícula que da a cada una de las otras partículas primordiales su masa, cuya vida se predijo sobre la base de las teorías cuánticas de campo ya en 1964.

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Las teorías de campo cuánticas convencionales funcionan bien al explicar los resultados de los experimentos en destructores de partículas de alta energía como el Monumental Colisionador de Hadrones del CERN, donde se descubrió el Higgs, que sondean la materia en sus escalas más pequeñas. Sin embargo, si deseas comprender cómo funcionan las cosas en muchas situaciones menos esotéricas – cómo los electrones se mueven o no se mueven por medio de un material sólido y de esta forma hacer un material un metal, un aislante o un semiconductor, ejemplificando – las cosas se tornan todavía más complicadas.

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Una cantidad monumental de millones de interrelaciones en dichos ámbitos hacinados necesitan el desarrollo de “teorías de campo efectivas” que pasan por elevado ciertos de los detalles sangrientos. La complejidad de edificar tales teorías es por qué muchas cuestiones relevantes en la física de estado sólido siguen sin resolverse – ejemplificando, por qué a bajas temperaturas ciertos materiales son superconductores que permiten la corriente sin resistencia eléctrica, y por qué no tenemos la posibilidad de hacer que este truco funcione a temperatura ambiente.

Sin embargo, abajo de todos dichos inconvenientes prácticos hay un enorme misterio cuántico.

En un grado primordial, la física cuántica predice cosas bastante extrañas respecto a cómo funciona la materia que permanecen enteramente en desacuerdo con cómo parecen funcionar las cosas en el planeta real. Las partículas cuánticas tienen la posibilidad de comportarse como partículas, ubicadas en un solo sitio; o tienen la posibilidad de actuar como ondas, distribuidas por todo el espacio o en diversos sitios a la vez. Cómo aparecen parecen depender de cómo escogimos medirlos, y antecedente de medirlos parecen no tener características definidas en absoluto – llevándonos a un enigma importante sobre la naturaleza de la verdad básica.

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Esta falta de claridad conduce a aparentes paradojas como el gato de Schrödinger, en el cual debido a un proceso cuántico incierto un gato se queda muerto y vivo simultáneamente. Sin embargo, aquello no es todo. Las partículas cuánticas además parecen ser capaces de afectarse entre sí instantáneamente inclusive una vez que permanecen lejos el uno del otro. Este fenómeno realmente engañoso se sabe cómo enredo, o, en una sentencia acuñada por Einstein (un monumental crítico de la teoría cuántica), “acción espeluznante a distancia“. Tales poderes cuánticos son del todo extraños para nosotros mismos, no obstante, son la base de tecnologías emergentes como la criptografía cuántica ultra segura y la computación cuántica ultra poderosa.

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Sin embargo, referente a lo cual significa, nadie lo sabe. Varias personas consideran que sencillamente debemos admitir que la física cuántica explica el planeta material en términos que nos resulta imposible cuadrar con nuestra vivencia en el planeta más grande, “tradicional”. Otros consideran que debería haber alguna teoría mejor, más intuitiva por allí que todavía tenemos que encontrar. En todo lo mencionado, hay diversos elefantes en la habitación. Para comenzar, existe una cuarta fuerza importante de la naturaleza que hasta ahora la teoría cuántica no fue capaz de describir. La gravedad todavía es el territorio de la teoría general de la relatividad de Einstein, una teoría firmemente no cuántica que ni siquiera implica partículas. Intensos esfuerzos a lo largo de décadas para colocar la gravedad bajo el paraguas cuántico y de esta forma describir toda la física importante en una “teoría de todo” no han llegado a nada.

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Véase también La paradoja del gato de Schrödinger

A medida que tanto las mediciones cosmológicas indican que más del 95 por ciento del cosmos se basa en materia oscura y energía oscura, materias para las que en la actualidad no poseemos ni una descripción dentro del modelo estándar, y los enigmas como el alcance del papel de la física cuántica en el desordenado desempeño de la vida están inexplicables. El planeta está en cualquier grado cuántico – empero si la física cuántica es la última palabra sobre el planeta todavía es una pregunta abierta.

Sin duda la física cuántica es un mar de entendimientos alucinantes, y al igual que la estimación del 5% de conocimiento del océano esta aplica de la misma forma en la física cuántica. Investigada por hombres con la capacidad de darle respuesta a lo que está en frente de nosotros y no somos capaces de verlo. Un tema interesante, complejo y cautivante.

“Si alguien no queda confundido por la física cuántica, es que no la ha entendido bien.”
Niels Bohr

Fuentes: letstalkscience.ca y Introduction to quantum mechanics-Davis Morin

Temática sugerida por: Jesús Salvador Sánchez de Santiago, Hulio Sanchez Batista y Dorkas Rea

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