Física Cuántica

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La mecánica cuántica (ondulatoria) es una teoría física fundamental que describe la naturaleza a escala de los átomos y las partículas subatómicas. Es la base de toda la física cuántica, incluida la química cuántica, la teoría cuántica de campos, la tecnología cuántica y la informática cuántica.

La física clásica, el cuerpo de teorías que existía antes de la mecánica cuántica, describe muchos aspectos de la naturaleza a escala ordinaria (macroscópica), pero es insuficiente para describirlos cuantitativamente a escalas pequeñas (atómicas y subatómicas). La mayoría de las teorías de la física clásica pueden derivarse de la mecánica cuántica como aproximaciones válidas a grandes escalas (macroscópicas).

La mecánica cuántica se diferencia de la física clásica en que la energía, el momento, el momento angular y otras magnitudes del estado límite de un sistema no pueden tomar valores arbitrarios, sino que están limitados a valores discretos (cuantización), los objetos tienen características tanto de partículas como de ondas (dualismo corpuscular-onda), y existe un límite a nuestra capacidad para predecir con exactitud el valor de una magnitud física antes de medirla bajo un conjunto completo de condiciones iniciales dadas (principio de incertidumbre).

La mecánica cuántica surgió gradualmente a partir de teorías que explicaban observaciones que no podían conciliarse con los conceptos de la física clásica, como la solución de Max Planck en 1900 al problema de la radiación del cuerpo negro y la correspondencia entre la energía y la frecuencia de un cuanto de luz en el artículo de Albert Einstein de 1905 en que explicaba el efecto fotoeléctrico. Estos primeros intentos de comprender los fenómenos microscópicos, conocidos ahora como “antigua teoría cuántica”, condujeron al rápido desarrollo de la mecánica cuántica a mediados de la década de 1920 en los trabajos de varios investigadores. La teoría moderna se formula utilizando diversos formalismos matemáticos especialmente desarrollados. En uno de ellos, una entidad matemática llamada función de onda proporciona información en forma de amplitudes de probabilidad sobre a qué conducen las mediciones de energía, momento y otras propiedades físicas de una partícula.

Interpretación de la mecánica cuántica

Desde sus inicios, muchos resultados y aspectos ilógicos de la mecánica cuántica han dado lugar a fuertes debates filosóficos y a la aparición de numerosas interpretaciones. Los debates han versado sobre la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica, las dificultades con el colapso de la función de onda y el problema de medición asociado, y la no localidad cuántica. Quizás el único consenso que existe en estos temas es la falta de consenso. Richard Feynman dijo una vez: “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”. En palabras de Stephen Weinberg, “en mi opinión, actualmente no existe una interpretación plenamente satisfactoria de la mecánica cuántica”.

Las opiniones varios físicos sobre la mecánica cuántica suelen agruparse en la “interpretación de Copenhague”. Según estos puntos de vista, la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica no es una propiedad temporal que será sustituida en el futuro por una teoría determinista, sino un rechazo definitivo de la idea clásica de “causalidad”. Bohr, en particular, subrayó que cualquier aplicación bien definida del formalismo mecánico cuántico debe referirse siempre a un entorno experimental debido a la naturaleza complementaria de los resultados obtenidos en diferentes situaciones experimentales. Las interpretaciones de tipo Copenhague siguen siendo populares en el siglo XXI.

A Albert Einstein, uno de los fundadores de la teoría cuántica, le preocupaba su aparente incumplimiento de algunos principios metafísicos apreciados, como el determinismo y la localidad. El largo intercambio entre Einstein y Bohr sobre el significado y el estatus de la mecánica cuántica se conoce ahora como el debate Bohr-Einstein. Einstein creía que la mecánica cuántica debía basarse en una teoría que prohibiera explícitamente la acción a distancia. Argumentó que la mecánica cuántica era incompleta; la teoría era verdadera, pero no fundamental, del mismo modo que la termodinámica es verdadera, pero la teoría fundamental subyacente es la mecánica estadística. En 1935, Einstein y sus colaboradores Boris Podolsky y Nathan Rosen publicaron un argumento según el cual el principio de localidad implicaba que la mecánica cuántica era incompleta. Su experimento mental se llamaría más tarde la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR). En 1964, John Bell demostró que el principio de localidad de EPR junto con el determinismo son, de hecho, incompatibles con la mecánica cuántica: implican restricciones en las correlaciones creadas por los sistemas a distancia, ahora conocidas como desigualdades de Bell, que pueden ser violadas por partículas enredadas. Desde entonces, se han llevado a cabo varios experimentos[en] que miden estas correlaciones, y resulta que las desigualdades de Bell son efectivamente violadas y por lo tanto falsifican la conjunción de la localidad con el determinismo.

La mecánica de Bohm muestra que es posible reformular la mecánica cuántica, haciéndola determinista, a costa de la no localidad explícita. Atribuye al sistema físico no sólo una función de onda, sino una posición real que evoluciona de forma determinista bajo la ecuación de gobierno no local. La evolución del sistema físico en todo momento viene dada por la ecuación de Schrödinger junto con la ecuación de gobierno; nunca hay un colapso de la función de onda. Este enfoque resuelve el problema de la medición.

La interpretación del multiverso de Everett, formulada en 1956, afirma que todas las posibilidades descritas por la teoría cuántica surgen simultáneamente en un multiverso formado esencialmente por universos paralelos independientes. Esto elimina el problema del colapso del paquete de ondas, ya que todos los estados posibles del sistema medido y del gauge, junto con el observador, están presentes en una superposición cuántica física real. Mientras que el multiverso es determinista, nosotros percibimos un comportamiento no determinista regido por probabilidades, porque no observamos el multiverso como un todo, sino sólo un universo paralelo en cada momento. Cómo debería funcionar exactamente esto ha sido objeto de mucho debate. Se han hecho varios intentos de derivar la regla de Born sin que haya consenso sobre si tuvieron éxito.

La mecánica cuántica relacional surgió a finales de la década de 1990 como una derivación moderna de las ideas de tipo Copenhague, y unos años más tarde se desarrolló una teoría del bayesianismo cuántico.

Revisor de hechos: Henry Ru

Recursos

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Véase También