¿Sabes qué es la física cuántica?

¿Qué es la física cuántica? En resumen, es la física la que explica cómo funciona todo: nuestra mejor descripción de las propiedades de las partículas que componen la materia y las fuerzas con las que interactúan.

La física cuántica es la base de cómo funcionan los átomos y por qué la química y la biología funcionan como lo hacen. Tú, yo y las porterías: todos estamos bailando, al menos hasta cierto punto. Si quieres explicar cómo se mueven los electrones en un chip de computadora, cómo los fotones se convierten en corriente eléctrica en un panel solar o se amplifican en un láser, o incluso cómo el sol sigue ardiendo, necesitas usar la física cuántica.

Aquí comienza la dificultad (y para los físicos, la diversión). En primer lugar, no existe una teoría cuántica única. La mecánica cuántica es el marco matemático básico que sustenta todo, desarrollado originalmente en la década de 1920 por Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y otros. Representa cosas simples como cómo la posición o el impulso de una sola partícula o de un puñado de partículas cambia con el tiempo.

Pero para comprender cómo funcionan las cosas en el mundo real, la mecánica cuántica debe combinarse con otros elementos de la física, principalmente la teoría de la relatividad de Albert Einstein, que explica cómo funcionan las cosas en el mundo real. moverse rápido, creando lo que se llama teoría cuántica de campos.

Tres teorías cuánticas de campos diferentes involucran tres de las cuatro fuerzas fundamentales por las que interactúa la materia: el electromagnetismo, que explica cómo los átomos permanecen juntos y la poderosa fuerza nuclear, que explica cómo la materia en el núcleo de un átomo se estabiliza; ; y la fuerza nuclear débil, que explica por qué algunos átomos sufren desintegración radiactiva.

Durante los últimos cincuenta años aproximadamente, estas tres teorías se han unido en una alianza inestable conocida como el "modelo estándar" de la física de partículas. A pesar de toda la sensación de que el modelo se mantuvo unido ligeramente con cinta adhesiva, es el diagrama de prueba diseñado con mayor precisión del funcionamiento básico de la materia jamás diseñado. Su mayor gloria llegó con el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012. El bosón de Higgs, que da masa a todas las demás partículas fundamentales, se remonta a 1964.

La teoría cuántica de campos convencional funciona bien para describir los resultados de experimentos en colisionadores de partículas de alta energía como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, donde se descubrió el Higgs y detectó materia en las escalas más pequeñas. Pero se vuelve aún más complicado si se quiere entender cómo funcionan las cosas en muchas situaciones menos misteriosas (por ejemplo, cómo se mueven los electrones a través o sin un material sólido, haciendo de ese material un metal, un aislante o un semiconductor).

Los miles de millones de interacciones en estos entornos abarrotados requieren el desarrollo de una "teoría de campo efectiva" que enmascare algunos de los detalles difíciles. La dificultad de construir una teoría de este tipo es la razón por la que muchas cuestiones importantes de la física del estado sólido siguen sin resolverse; por ejemplo, por qué a bajas temperaturas algunos materiales son superconductores que permiten que la electricidad pase a través de ellos sin resistencia, y por qué no podemos utilizar este truco en temperatura ambiente.

Pero escondidos en todos estos problemas prácticos se esconden enormes misterios cuánticos. En un nivel fundamental, la física cuántica predice cosas muy extrañas sobre cómo funciona la materia que son completamente inconsistentes con cómo funcionan las cosas en el mundo real. Las partículas cuánticas se comportan como partículas ubicadas en un solo lugar. O pueden actuar como ondas, extendiéndose por el espacio o en varios lugares a la vez. La forma en que aparecen parece depender de cómo elegimos medirlos, y hasta que los medimos no parecen tener ninguna propiedad determinada, lo que plantea enigmas fundamentales sobre la naturaleza de la realidad fundamental.

Esta ambigüedad conduce a aparentes paradojas, como la del gato de Schrödinger, en la que el gato está vivo y muerto al mismo tiempo debido a procesos cuánticos indeterminados. Pero eso no es todo. Las partículas cuánticas también parecen poder influirse entre sí instantáneamente, incluso si están muy lejos unas de otras. Este verdadero fenómeno del bambú se llama entrelazamiento o, en una frase acuñada por Einstein (el gran crítico de la teoría cuántica), "acción espeluznante a distancia".

Estas capacidades cuánticas nos son completamente ajenas, pero son la base de tecnologías emergentes como la criptografía cuántica ultrasegura y la computación cuántica ultrapotente.

Pero nadie sabe qué significa todo esto. Se argumenta que debemos aceptar que la física cuántica explica el mundo físico de una manera que no puede considerarse proporcional a la experiencia en el mundo "clásico" más amplio. Otros piensan que debe haber alguna teoría mejor y más intuitiva que aún no se ha descubierto.

En todo esto, hay algunos elefantes en la habitación. En primer lugar, está la cuarta fuerza fundamental de la naturaleza que hasta ahora no puede explicarse mediante la teoría cuántica. La gravedad sigue siendo el dominio de la teoría general de la relatividad de Einstein, una teoría decididamente no cuántica que ni siquiera involucra partículas. Durante décadas, ha habido un enorme esfuerzo para poner la gravedad bajo el paraguas cuántico y explicar todos los principios físicos fundamentales en una "teoría del todo".

Al mismo tiempo, las mediciones cosmológicas muestran que más del 95% de la materia del universo está compuesta de materia oscura y energía oscura. Actualmente no tenemos explicación para ellos en el modelo estándar, ni para otros fenómenos. como la física cuántica en Preguntas como el grado de papel en el desordenado funcionamiento del universo. La vida sigue siendo inexplicable. El mundo es cuántico hasta cierto punto, pero sigue siendo una cuestión abierta si la física cuántica es la última palabra sobre el mundo. Richard Webber