¿Qué es la física cuántica?

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

La física cuántica es la base del funcionamiento de los átomos y es un principio de la química y la biología. Tú, yo y los postes, al menos hasta cierto punto, todos estamos bailando al ritmo cuántico. Si quieres explicar cómo los electrones pasan a través de un chip de computadora, cómo los fotones se convierten en corriente eléctrica en un panel solar, o cómo se amplifican en un láser, o incluso cómo el sol sigue ardiendo, necesitas usar la física cuántica.

Para los físicos, aquí comienza la dificultad y la diversión. En primer lugar, no existe una teoría cuántica única. También está la mecánica cuántica, el marco matemático básico que sustenta todo, que fue desarrollado por primera vez en la década de 1920 por Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y otros. Describe algo tan simple como cómo la posición o el impulso de una sola partícula o de un grupo de un pequeño número 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 especial de la relatividad de Albert Einstein, que explica cómo los objetos se mueven rápidamente cuando se mueven rápidamente. ¿Qué sucede cuando - creando lo que se llama teoría cuántica de campos.

Tres teorías cuánticas de campos diferentes abordan tres de las cuatro fuerzas fundamentales mediante las cuales interactúa la materia: la fuerza electromagnética, que explica cómo se mantienen unidos los átomos, y la fuerza nuclear fuerte, que explica la estabilidad de los núcleos atómicos en la base; centro de un átomo; y la fuerza nuclear débil, que explica por qué algunos átomos sufren desintegración radiactiva.

Durante los últimos 50 años aproximadamente, estas tres teorías se han unido en una alianza inestable conocida como el "modelo estándar" de la física de partículas. Aunque da la impresión de que el modelo está sujeto con cinta adhesiva, es la imagen de prueba más precisa del funcionamiento básico de la materia jamás ideada. Su logro más glorioso fue el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012. El bosón de Higgs da masa a todas las demás partículas elementales Ya en 1964 alguien predijo la existencia del bosón de Higgs basándose en la teoría cuántica de campos.

La teoría cuántica de campos tradicional describe bien los resultados experimentales de los aceleradores de partículas de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, donde se descubrió la partícula de Higgs, y detecta materia en su escala más pequeña. Pero las cosas se complican más si se quiere entender cómo se mueven o no los electrones en materiales sólidos en circunstancias mucho menos esotéricas, haciendo de un material un metal, un aislante o un semiconductor.

Los miles de millones de interacciones en estos entornos abarrotados requirieron el desarrollo de una "teoría de campo efectiva" para ocultar algunos de los detalles sangrientos. La dificultad para construir estas teorías es la razón por la que muchas cuestiones importantes de la física del estado sólido siguen sin resolverse; por ejemplo, por qué algunos materiales son superconductores a bajas temperaturas que permiten la corriente eléctrica sin resistencia, y por qué no podemos realizar este truco en condiciones ambientales. temperatura.

Pero detrás de todos estos problemas prácticos se esconde un enorme misterio cuántico. 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 pueden estar en un solo lugar, como las partículas, o pueden estar distribuidas por el espacio, o en varios lugares a la vez, como las ondas. Su apariencia parece depender de cómo elegimos medirlas, y hasta que las medimos, no parecen tener ninguna propiedad definida, lo que nos lleva a un enigma fundamental sobre la naturaleza de la realidad fundamental.

Pero detrás de todos estos problemas prácticos se esconde un enorme misterio cuántico. 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 pueden estar en un solo lugar, como las partículas, o pueden estar distribuidas por el espacio, o en varios lugares a la vez, como las ondas. Su apariencia parece depender de cómo elegimos medirlas, y hasta que las medimos, no parecen tener ninguna propiedad definida, lo que nos lleva a un enigma fundamental sobre la naturaleza de la realidad fundamental.

Pero detrás de todos estos problemas prácticos se esconde un enorme misterio cuántico.

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 pueden estar, como las partículas, en un solo lugar o pueden estar, como las ondas, distribuidas por el espacio o en varios lugares a la vez; Su apariencia parece depender de cómo elegimos medirlas, y hasta que las medimos, no parecen tener ninguna propiedad definida, lo que nos lleva a un enigma fundamental sobre la naturaleza de la realidad fundamental.

Esta ambigüedad conduce a aparentes paradojas, como la del gato de Schrödinger, un gato que está vivo y muerto debido a un proceso cuántico indeterminado. Pero eso no es todo. Las partículas cuánticas también parecen poder influirse entre sí instantáneamente, incluso si están muy separadas. Este fenómeno verdaderamente desconcertante se llama entrelazamiento o, para usar una frase acuñada por Einstein (un gran crítico de la teoría cuántica), "comportamiento espeluznante a distancia". Esta capacidad cuántica nos es completamente ajena, pero es la base de tecnologías emergentes como la criptografía cuántica ultrasegura y la computación cuántica ultrapotente.