¿Qué es la física cuántica? En pocas palabras, es la física la que explica cómo funciona todo: la mejor descripción que tenemos de la naturaleza de las partículas que componen la materia y las fuerzas con las que interactúan.
la física cuántica subyace a cómo funcionan los átomos, y por qué la química y la biología funcionan como lo hacen. Tú, yo y el poste – en algún nivel al menos, todos estamos bailando al ritmo de la melodía cuántica., Si quieres explicar cómo los electrones se mueven a través de un chip de computadora, cómo los fotones de luz se convierten en corriente eléctrica en un panel solar o se amplifican en un láser, o incluso cómo el sol sigue ardiendo, necesitarás usar la física cuántica.
La dificultad – y, para los físicos, la diversión comienza aquí. Para empezar, no hay una sola teoría cuántica. Está la mecánica cuántica, el marco matemático básico que lo sustenta todo, que fue desarrollado por primera vez en la década de 1920 por Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y otros., Caracteriza cosas simples como cómo la posición o el momento de una sola partícula o grupo de pocas partículas cambia con el tiempo.
pero para entender 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 lo que sucede cuando las cosas se mueven muy rápido – para crear lo que se conoce como teorías cuánticas de campo.,
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tres teorías cuánticas de campo diferentes tratan con tres de las cuatro fuerzas fundamentales por las que la materia interactúa: electromagnetismo, que explica cómo los átomos se mantienen juntos; la fuerza nuclear fuerte, que explica la estabilidad del núcleo en el corazón del átomo; y la fuerza nuclear débil, que explica por qué algunos átomos sufren desintegración radiactiva.
durante las últimas cinco décadas, estas tres teorías se han reunido en una coalición destartalada conocida como el» modelo estándar » de la física de partículas., A pesar de la impresión de que este modelo se mantiene ligeramente Unido con cinta adhesiva, es la imagen más comprobada del funcionamiento básico de la materia que se haya ideado. Su gloria culminante llegó en 2012 con el descubrimiento del bosón de Higgs, la partícula que da su masa a todas las demás partículas fundamentales, cuya existencia se predijo sobre la base de teorías cuánticas de campo ya en 1964.,
Las teorías cuánticas convencionales de campo funcionan bien al describir los resultados de experimentos con trituradores de partículas de alta energía como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, donde se descubrió el Higgs, que sondea la materia en sus escalas más pequeñas. Pero si quieres entender cómo funcionan las cosas en muchas situaciones menos esotéricas-cómo los electrones se mueven o no se mueven a través de un material sólido y así hacen de un material un metal, un aislante o un semiconductor, por ejemplo – las cosas se vuelven aún más complejas.,
los miles de millones de interacciones en estos entornos abarrotados requieren el desarrollo de» teorías de campo efectivas » que pasan por alto algunos de los detalles sangrientos. La dificultad en la construcción de tales teorías es por qué muchas preguntas importantes en la física de estado sólido siguen sin resolverse, por ejemplo, por qué a bajas temperaturas algunos materiales son superconductores que permiten la corriente sin resistencia eléctrica, y por qué no podemos hacer que este truco funcione a temperatura ambiente.
Pero debajo de todos estos problemas prácticos yace un enorme misterio cuántico., A un nivel básico, la física cuántica predice cosas muy extrañas sobre cómo funciona la materia que están completamente en desacuerdo con cómo parecen funcionar las cosas en el mundo real. Las partículas cuánticas pueden comportarse como partículas, ubicadas en un solo lugar; o pueden actuar como ondas, distribuidas por todo el espacio o en varios lugares a la vez. La forma en que aparecen parece depender de cómo elegimos medirlos, y antes de medirlos parecen no tener propiedades definidas en absoluto, lo que nos lleva a un enigma fundamental sobre la naturaleza de la realidad básica.,
esta confusión conduce a aparentes paradojas como el gato de Schrödinger, en el que, gracias a un proceso cuántico incierto, un gato queda muerto y vivo al mismo tiempo. Pero eso no es todo. Las partículas cuánticas también parecen ser capaces de afectarse unas a otras instantáneamente incluso cuando están lejos unas de otras. Este fenómeno verdaderamente engañoso se conoce como entrelazamiento, o, en una frase acuñada por Einstein (un gran crítico de la teoría cuántica), «acción espeluznante a distancia»., Tales poderes cuánticos son completamente ajenos a nosotros, sin embargo, son la base de tecnologías emergentes como la criptografía cuántica ultra segura y la computación cuántica ultra poderosa.
pero en cuanto a lo que todo significa, nadie lo sabe. Algunas personas piensan que solo debemos aceptar que la física cuántica explica el mundo material en términos que encontramos imposibles de cuadrar con nuestra experiencia en el mundo más grande, «clásico». Otros piensan que debe haber alguna teoría mejor, más intuitiva por ahí que aún tenemos que descubrir.
En todo esto, hay varios elefantes en la habitación., Para empezar, hay una cuarta fuerza fundamental de la naturaleza que hasta ahora la teoría cuántica ha sido incapaz de explicar. La gravedad sigue siendo el territorio de la teoría general de la relatividad de Einstein, una teoría firmemente no cuántica que ni siquiera involucra partículas. Los esfuerzos intensivos durante décadas para poner la gravedad bajo el paraguas cuántico y así explicar toda la física fundamental dentro de una «teoría del todo» han llegado a la nada.,
mientras tanto, las mediciones cosmológicas indican que más del 95 por ciento del universo consiste en materia oscura y energía oscura, materias para las que actualmente no tenemos explicación dentro del modelo estándar, y enigmas como el alcance del papel de la física cuántica en el funcionamiento desordenado de la vida permanecen inexplicables. El mundo es en cierto nivel cuántico – pero si la física cuántica es la última palabra sobre el mundo sigue siendo una pregunta abierta. Richard Webb
