Teoría cuántica

La teoría cuántica es la base teórica de la física moderna que explica la naturaleza y el comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico. La naturaleza y el comportamiento de la materia y la energía en ese nivel a veces se conoce como física cuántica y mecánica cuántica. Las organizaciones de varios países han dedicado importantes recursos al desarrollo de la computación cuántica, que utiliza la teoría cuántica para mejorar drásticamente las capacidades de computación más allá de lo que es posible con las computadoras clásicas de hoy.

En 1900, el físico Max Planck presentó su teoría cuántica a la Sociedad Alemana de Física. Planck había intentado descubrir la razón por la que la radiación de un cuerpo brillante cambia de color de rojo a naranja y, finalmente, a azul a medida que aumenta la temperatura. Descubrió que al asumir que la energía existía en unidades individuales de la misma manera que lo hace la materia, en lugar de simplemente como una onda electromagnética constante, como se suponía anteriormente, y por lo tanto era cuantificable, pudo encontrar la respuesta a su pregunta. La existencia de estas unidades se convirtió en el primer supuesto de la teoría cuántica.

Planck escribió una ecuación matemática que involucraba una figura para representar estas unidades individuales de energía, a la que llamó cuantos. La ecuación explica muy bien el fenómeno; Planck descubrió que a ciertos niveles de temperatura discretos (múltiplos exactos de un valor mínimo básico), la energía de un cuerpo brillante ocupará diferentes áreas del espectro de colores. Planck asumió que aún había una teoría que surgir del descubrimiento de los cuantos, pero, de hecho, su misma existencia implicaba una comprensión completamente nueva y fundamental de las leyes de la naturaleza. Planck ganó el Premio Nobel de Física por su teoría en 1918, pero los desarrollos de varios científicos durante un período de treinta años contribuyeron a la comprensión moderna de la teoría cuántica.

El desarrollo de la teoría cuántica

  • En 1900, Planck asumió que la energía estaba compuesta de unidades individuales o cuantos.
  • En 1905, Albert Einstein teorizó que no solo la energía, sino la radiación misma era cuantificado de la misma manera.
  • En 1924, Louis de Broglie propuso que no existe una diferencia fundamental en la composición y comportamiento de la energía y la materia; a nivel atómico y subatómico, ambos pueden comportarse como si estuvieran hechos de partículas u ondas. Esta teoría se conoció como la principio de dualidad onda-partícula: las partículas elementales tanto de energía como de materia se comportan, dependiendo de las condiciones, como partículas u ondas.
  • En 1927, Werner Heisenberg propuso que la medición precisa y simultánea de dos valores complementarios, como la posición y el momento de una partícula subatómica, es imposible. Contrariamente a los principios de la física clásica, su medición simultánea es inevitablemente defectuosa; Cuanto más precisamente se mida un valor, más defectuosa será la medición del otro valor. Esta teoría se conoció como el principio de incertidumbre, lo que provocó el famoso comentario de Albert Einstein: "Dios no juega a los dados".

La interpretación de Copenhague y la teoría de los muchos mundos

Las dos interpretaciones principales de las implicaciones de la teoría cuántica para la naturaleza de la realidad son la interpretación de Copenhague y la teoría de los muchos mundos. Niels Bohr propuso la interpretación de Copenhague de la teoría cuántica, que afirma que una partícula es lo que sea que se mida (por ejemplo, una onda o una partícula), pero que no se puede suponer que tenga propiedades específicas, o incluso que exista, hasta se mide. En resumen, Bohr decía que la realidad objetiva no existe. Esto se traduce en un principio llamado superposición que afirma que, si bien no sabemos cuál es el estado de ningún objeto, en realidad está en todos los estados posibles simultáneamente, siempre que no busquemos verificar.

Para ilustrar esta teoría, podemos utilizar la famosa y algo cruel analogía del gato de Schrodinger. Primero, tenemos un gato vivo y lo colocamos en una caja de plomo gruesa. En esta etapa, no hay duda de que el gato está vivo. Luego echamos un vial de cianuro y sellamos la caja. No sabemos si el gato está vivo o si la cápsula de cianuro se ha roto y el gato ha muerto. Como no lo sabemos, el gato está vivo y muerto, de acuerdo con la ley cuántica, en una superposición de estados. Solo cuando abrimos la caja y vemos en qué condición está el gato, la superposición se pierde, y el gato debe estar vivo o muerto.

La segunda interpretación de la teoría cuántica es la muchos-mundos (o multiverso teoría. Sostiene que tan pronto como existe un potencial para que cualquier objeto esté en cualquier estado, el universo de ese objeto se transmuta en una serie de universos paralelos igual al número de estados posibles en los que ese objeto puede existir, con cada universo que contiene un único estado posible único de ese objeto. Además, existe un mecanismo de interacción entre estos universos que de alguna manera permite que todos los estados sean accesibles de alguna manera y que todos los estados posibles se vean afectados de alguna manera. Stephen Hawking y el fallecido Richard Feynman se encuentran entre los científicos que han expresado su preferencia por la teoría de los muchos mundos.

Influencia de la teoría cuántica

Aunque los científicos a lo largo del siglo pasado se han resistido a las implicaciones de la teoría cuántica, entre ellos Planck y Einstein, los principios de la teoría han sido respaldados repetidamente por la experimentación, incluso cuando los científicos intentaban refutarlos. La teoría cuántica y la teoría de la relatividad de Einstein forman la base de la física moderna. Los principios de la física cuántica se están aplicando en un número cada vez mayor de áreas, incluidas la óptica cuántica, la química cuántica, la computación cuántica y la criptografía cuántica.